JP2015132492A - センサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子からシール部材へ伝わる熱を大幅に低減し、センサにおけるシール部材の熱劣化をより一層抑制したセンサを提供する。【解決手段】センサ素子１０と、主体金具２と、セパレータ７５の後端側に配置されると共に、外筒９０の内側に固定される筒状部、及び、該径方向内側に延出する延出部４０ａを有する内筒４０と、自身の先端向き面５０ａが内筒の延出部に当接し、外筒の後端側に収容される弾性のシール部材５０と、センサ素子と電気的に接続されると共に、シール部材のリード孔に挿通されて外側に引き出されるリード線６８と、を備え、セパレータ７５と内筒４０とが軸線方向に離間している。【選択図】図１

Description

本発明は、シール部材を後端部に有し、特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサや温度センサ等のセンサに関する。

自動車エンジン等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。
このようなセンサとして、特定ガスの濃度検出を行うセンサ素子を主体金具に保持し、センサ素子の後端側を絶縁性のセラミック製セパレータで囲んだ構造が一般的に用いられている（特許文献１）。これは、リード線に接続された端子金具がセンサ素子の各電極パッドにそれぞれ電気的に接続され、セパレータよりも後端側にはゴム製のグロメット（シール部材）が配置され、セパレータ及びグロメットが金属製の外筒に覆われている。又、リード線はグロメットのリード孔を通して外部に引き出される。
そして、外筒の後端側を加締めることにより、グロメットがセパレータを先端側に向かって弾性的に押圧し、グロメットとセパレータの先端側の保持金具との間でセパレータが保持されるようになっている。

一方、近年、素子の熱容量を減らして早期活性化を図るため、センサ素子長を短くするニーズがある。しかしながら、特許文献１のような構成のセンサにおいて、上記ニーズを満たそうとすると、センサ素子長に合わせてセパレータを先端側に配置する必要がある。ところが、セパレータを先端側に配置するとセパレータに支持されるグロメットも共に先端側に配置されることとなるため、高温の排気ガスに晒されるセンサ素子からの熱が主体金具を介してセパレータに伝わり、高温となったセパレータの熱がグロメットに伝わってグロメットの劣化を早めるおそれがある。

特開２０１０−１６４５９１号公報（図４）

そこで、内筒を介してグロメットをセパレータから離間させることにより、セパレータからグロメットに伝わる熱を低減する構成が考えられるが、内筒とセパレータとが当接したままでは、内筒からグロメットに伝わる熱の低減には不十分である。
そこで、本発明は、センサ素子からシール部材へ伝わる熱を大幅に低減し、シール部材の熱劣化をより一層抑制することができるセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のセンサは、軸線方向に延び、先端側に検出部を有するセンサ素子と、前記センサ素子の外周面を囲む筒状の主体金具と、前記主体金具の後端側に配置される筒状の外筒と、前記主体金具の後端側に配置され、前記センサ素子の後端側を囲むと共に、前記外筒の内側に固定される絶縁性のセパレータと、前記セパレータの後端側に配置されると共に、前記外筒の内側に固定される筒状部、及び、該筒状部から径方向内側に延出する延出部を有する内筒と、自身の先端向き面が前記内筒の前記延出部に当接し、前記外筒の後端側に収容される弾性のシール部材と、前記センサ素子と電気的に接続されると共に、前記シール部材のリード孔に挿通されて外側に引き出されるリード線と、を備え、前記セパレータと前記内筒とが前記軸線方向に離間している。
このセンサによれば、シール部材をセパレータから離間させてシール部材の熱劣化を抑制することができる。従って、内筒からシール部材に伝わる熱を大幅に低減してシール部材の熱劣化をより一層抑制することができる。

前記セパレータと前記主体金具とが前記軸線方向に離間するようにしてもよい。
このセンサによれば、主体金具の熱がセパレータに直接伝わらず、セパレータが高温になり難いため、内筒からシール部材に伝わる熱を大幅に低減してシール部材の熱劣化をより一層抑制することができる。

前記シール部材は、軸線方向に貫通する通気孔を有し、前記通気孔には、撥水性の通気フィルタが挿入されるようにしてもよい。
また、前記内筒の前記延出部は前記通気孔に連通する貫通孔を有し、前記通気孔には、筒状のフィルタ留め金具がさらに挿入され、前記貫通孔と前記フィルタ留め金具の内部空間とが連通しつつ、前記フィルタ留め金具の先端向き面が前記内筒の前記延出部に当接するようにしてもよい。
さらに、前記通気フィルタは、前記フィルタ留め金具の外側を覆うシート状のフィルタであり、前記フィルタ留め金具は、径方向外側に突出するフランジ部を自身の先端側に備え、前記フランジ部の先端向き面が前記内筒の前記延出部に当接するようにしてもよい。
このセンサによれば、通気フィルタやフィルタ留め金具、そのフランジ部の先端向き面に内筒の延出部を当接させることで、シール部材内に配置した通気フィルタやフィルタ留め金具の先端側への脱落を防止することができる。

前記内筒の前記延出部には後端側へ突出する突出部が形成され、前記シール部材の前記先端向き面に前記突出部が嵌入し、前記シール部材の周方向の回転を規制するようにしてもよい。
このセンサによれば、シール部材の周方向の回転を規制し、シール部材のリード孔に挿通されたリード線に余分な力が加わってリード線が損傷することを防止できる。

前記先端向き面には、自身の周方向の回転を規制する回転規制部が形成されており、前記内筒の前記延出部には前記回転規制部と当接する係合部が形成されていてもよい。
このセンサによれば、シール部材の周方向の回転を規制し、シール部材のリード孔に挿通されたリード線に余分な力が加わってリード線が損傷することを防止できる。

この発明によれば、センサ素子からシール部材へ伝わる熱を大幅に低減し、センサにおけるシール部材の熱劣化をより一層抑制することができる。

本発明の実施形態に係るセンサの軸線方向に沿う断面図である。 グロメット、内筒、セパレータの分解斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１、図２を参照し、本発明の実施形態に係るガスセンサ（酸素センサ）１００について説明する。図１はガスセンサ１００の軸線Ｏ方向に沿う断面図、図２はグロメット（シール部材）５０、内筒４０及びセパレータ７５の分解斜視図である。なお、図１の下側（センサ素子１０の検出部１０ａが位置する側）を「先端側」と称し、上側（センサ素子１０の電極取出部（電極パッド）１０ｅが位置する側）を「後端側」と称する。

ガスセンサ１００は、センサ素子１０を組み付けたアッセンブリである。ガスセンサ１００は、軸線Ｏ方向（図１の上下方向）に延びる板状のセンサ素子１０と、自動車エンジンの排気管に固定される主体金具２とを備えている。主体金具２は略円筒状をなし、排気管に固定されるためのねじ部２４が外表面に形成される一方、内孔２５を有し、内孔２５から径方向内側に突出する棚部２ｐを先端側に有している。そして、主体金具２はセンサ素子１０を内孔２５内に収容すると共に、センサ素子１０の先端側に設けられた検出部１０ａと後端側に設けられた電極パッド１０ｅをそれぞれ主体金具２から突出させた状態で、センサ素子１０を保持している。また、主体金具２の内周面とセンサ素子１０の外周面との間には、センサ素子１０の外周面を囲むセラミック製の環状の保持部材２１、粉末充填材（滑石リング）２２、２３、およびセラミック製のスリーブ３０がこの順に検出部１０ａ側から積層されている。そして、主体金具２の後端部２ａを加締めてスリーブ３０を先端側に押し付けることにより、保持部材２１が棚部２ｐに係止されつつ滑石リング２２，２３が押し潰れて内孔２５内に充填され、センサ素子１０が主体金具２内の所定位置にしっかりと固定される。滑石リング２２，２３としては、滑石（セラミック粉末）、ガラス（ケイ酸ガラスまたはケイ酸塩ガラス等のケイ酸化合物）を挙げることができる。
なお、保持部材２１及び滑石リング２２は金属カップ２０を介して主体金具２の内孔２５内に収容されている。

また、主体金具２の先端側外周には、センサ素子１０の検出部１０ａを囲む金属製の外部プロテクタ４および内部プロテクタ３が取り付けられている。
なお、この例ではセンサ素子１０は、固体電解質層表面に一対の電極を配置した構成の酸素センサ素子になっていて、又、セルを活性化させるためのヒータや、固体電解質層を保護するための絶縁層（アルミナ等）が積層されている。さらに、センサ素子１０の検出部１０ａの表面を多孔質保護層１２が覆っている。

一方、センサ素子１０の後端側、及びセンサ素子１０の後端側の両板面にそれぞれ設けられた電極パッド１０ｅ（この例では各面に２個ずつ計４個）は、円筒状のセラミック製セパレータ７５で囲まれている。後述するように、セパレータ７５は、センサ素子１０の挿通孔７５ｈを中心に有すると共に、この挿通孔７５ｈに連通して複数の端子金具６０（この例では４個）をそれぞれ収容する空孔７５ｋ（図２参照、この例では４個）を有している。そして、それぞれ仕切られた空孔７５ｋに各端子金具６０が絶縁を確保してそれぞれ挿通され、端子金具６０がセンサ素子１０の各電極パッド１０ｅにそれぞれ電気的に接続されている。
セパレータ７５内に保持された各端子金具６０は先端で内側に折り返され、折り返し部分がセンサ素子１０の各電極パッド１０ｅに電気的に接続するようになっている。一方、各端子金具６０の後端側はセパレータ７５の後端から突出する圧着部６５になっている。圧着部６５は自身の内側にリード線６８を加締め接続している。各リード線６８は、後述する内筒４０の外側貫通孔４１ｈ（図２参照）、及びグロメット５０のリード孔５１ｈを通されて外部に引き出されている。

セパレータ７５の後端には、円筒状でゴム等の弾性のシール部材（グロメット）５０がセパレータ７５と離間して配置され、セパレータ７５とグロメット５０が金属製の外筒９０に覆われている。又、外筒９０の内側におけるグロメット５０とセパレータ７５の間には、金属製で後端側が閉じた有底円筒状の内筒４０が配置され、内筒４０とセパレータ７５も軸線Ｏ方向に離間している。内筒４０は軸線方向に延びる筒状部、及び、該筒状部から径方向内側に延出する延出部４０ａを有している（図２参照）。
外筒９０の軸線Ｏ方向の中央よりも先端側には、セパレータ７５を先端側から保持する金属製で略円筒状の留め金具８０が加締め固定され、加締め部９０ｔを形成している。さらに外筒９０の上記加締め部９０ｔより後端部が後端側へ向かってセパレータ７５の外径よりも縮径し、内側凸部９０ａを形成している。図２に示すように、留め金具８０は金属製で略円筒状をなし、その後端縁から内面に向かって折り返し面８０ｂを有する長片８０ｓを周方向に等間隔で複数（この例では６個）有している。又、軸線Ｏ方向に、留め金具８０の先端向き面は主体金具２の後端部２ａとほぼ同じ位置にある。

そして、外筒９０の後端側が加締められ、グロメット５０が外筒９０内に保持されると共に、内筒４０の筒状部の位置で外筒９０が径方向内側に加締められて加締め部９０ｓを形成し、内筒４０が外筒９０内に固定されている。又、これにより、グロメット５０の先端向き面５０ａが、内筒４０の延出部４０ａに押圧されるようになっている。
又、留め金具８０の折り返し面８０ｂがセパレータ７５の先端向き面７５ｂに嵌め込まれた状態で、内側凸部９０ａの先端向き面にセパレータ７５の後端向き面７５ａを係止させ、留め金具８０の側面にて外筒９０を径方向内側に加締める。これにより、セパレータ７５が先端側と後端側の上下で軸線Ｏ方向に挟まれつつ、軸線Ｏ方向に主体金具２（の後端部２ａ）と離間して保持される。又、長片８０ｓはセパレータ７５の外側面に当接し、長片８０ｓの弾性力により、外筒９０に加えられた衝撃がセパレータ７５に直接伝わらないようになっている。
さらに、内部にセパレータ７５、内筒４０及びグロメット５０を保持した外筒９０は、主体金具２の後端側に嵌合され、嵌合部を加締め後、全周溶接して両者が接続されている。

さらに、図２に示すように、グロメット５０の中心には軸線Ｏ方向に貫通する通気孔５０ｈが形成され、通気孔５０ｈより径方向外側には、軸線Ｏ方向に貫通する複数（この例では４個）のリード孔５１ｈが周方向に沿って形成されている。
そして、各リード線６８は、リード孔５１ｈを通されて外部に引き出されている。一方、通気孔５０ｈには、筒状のフィルタ留め金具５５と、フィルタ留め金具５５の外側を覆う撥水性の通気フィルタ５２が挿入されている。これにより、グロメット５０の外部から基準ガス（大気）をガスセンサ内に導入可能になっている。通気フィルタ５２はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等のフッ素樹脂からなり、水滴を通さず大気を通すことができる。
フィルタ留め金具５５は、金属製で後端側が閉じた有底円筒状をなしている。フィルタ留め金具５５の後端向き面には中心孔５５ｈが形成され、中心孔５５ｈから通気フィルタ５２を介して基準大気がガスセンサ内に流入する。一方、フィルタ留め金具５５の先端側には径方向外側に突出するフランジ部５５ｆが形成されている。又、グロメット５０の先端向き面５０ａ側にて、通気孔５０ｈの周縁が後端側へ凹んで凹部５０ａ１を形成し、フランジ部５５ｆの後端向き面５５ａが通気フィルタ５２を介して凹部５０ａ１に接している（凹部５０ａ１に収容されている）

一方、内筒４０の延出部４０ａの中心には貫通孔４０ｈが形成され、貫通孔４０ｈより径方向外側には複数（この例では４個）の外側貫通孔４１ｈが周方向に沿って形成されている。そして、貫通孔４０ｈは通気孔５０ｈに連通し、外側貫通孔４１ｈはリード孔５１ｈに連通している。
なお、フィルタ留め金具５５が貫通孔４０ｈを通って脱落しないよう、貫通孔４０ｈがフランジ部５５ｆと完全に重ならないようにする必要がある。本実施形態では、フランジ部５５ｆの直径が貫通孔４０ｈの孔径よりも大きく形成されているため、貫通孔４０ｈがフランジ部５５ｆと完全に重ならず、貫通孔４０ｈがフィルタ留め金具５５の内面（中心孔５５ｈ）に連通しつつ、フランジ部５５ｆの先端向き面５５ｂが内筒４０の延出部４０ａに当接している。
さらに、本実施形態では、内筒４０の延出部４０ａには、隣接する２つの外側貫通孔４１ｈの間に後端側へ突出する矩形状の突出部４０ｓが形成されている。そして、グロメット５０の先端向き面５０ａに突出部４０ｓが嵌入し、グロメット５０の周方向の回転を規制している。

以上のように、本実施形態においては、グロメット５０とセパレータ７５との間に内筒４０が配置され、グロメット５０をセパレータ７５から離間させている。そして、内筒４０とセパレータ７５との間の接触面積は小さい。このため、セパレータ７５からグロメット５０への熱の伝達は減少し、グロメット５０の熱劣化を抑制することができる。
さらに、セパレータ７５と主体金具２との間も離間しているため、主体金具２の熱がセパレータ７５に直接伝わらず、セパレータ７５が高温になり難い。従って、内筒４０からグロメット５０に伝わる熱を大幅に低減してグロメット５０の熱劣化をより一層抑制することができる。

又、フランジ部５５ｆの先端向き面５５ｂに内筒４０の延出部４０ａを当接させることで、グロメット５０内に配置したフィルタ留め金具５５の先端側への脱落を防止することができる。なお、グロメット５０のリード孔５１ｈより径方向内側に通気フィルタ５２を配置することで、排気ガス側の熱が伝わって高温になる外筒９０の熱が通気フィルタ５２に伝わり難く、通気フィルタ５２の劣化を抑制することができる。さらに、グロメット５０を加締めて通気フィルタ５２を通気孔５０ｈ内に固定する際、通気孔５０ｈがグロメット５０の中心に近い側に位置するので、加締め力が通気孔５０ｈの周方向に均一に加わり、加締めを安定して行うことができ、通気フィルタ５２のシール性が維持される。
さらに、内筒４０の延出部４０ａに突出部４０ｓを形成することで、グロメット５０の周方向の回転を規制し、グロメット５０のリード孔５１ｈに挿通されたリード線６８に余分な力が加わってリード線６８が損傷することを防止できる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、セパレータ、グロメット、内筒及び通気フィルタの形状は上記に限定されない。
又、センサとしては、酸素センサの他、ＮＯｘセンサ、ＨＣ、Ｈ_２等のガス濃度を測定するためのガスセンサに限られず、例えば温度センサ等に適用することもできる。
又、内筒４０をレーザ溶接等の溶接によって外筒９０に固定してもよい。セパレータ７５を外筒９０の内側に固定する方法も上記に限られない。
又、本実施形態では、内筒４０に形成した突出部４０ｓを、グロメット５０の先端向き面５０ａに嵌入させて回転を規制したが、グロメット５０の先端向き面５０ａに回転規制部５０ｂを形成し、内筒４０の延出部４０ａに上記回転規制部５０ｂと当接する係合部を形成することで回転を規制してもよい。上記したグロメット５０側の回転規制部５０ｂは、先端側へ突出する突出部であってもよく、後端側へ凹む凹部であってもよい。
内筒４０の延出部４０ａの位置も筒状部の後端に限定されない。
内筒４０の延出部４０ａに突出する矩形状の突出部４０ｓの形状、位置、個数等も限定されない。
さらに、内筒４０の先端縁を端子金具６０の圧着部６５よりも後端側に位置させると、導電性の内筒４０に圧着部６５が接して絶縁性が低下することを抑制できる。
又、通気フィルタ５２もシート状に限定されず、例えば円柱状や円筒状であってもよい。又、フィルタ留め金具５５の直径が貫通孔４０ｈの孔径よりも大きく形成されていれば、フランジ部５５ｆは省略してもよい。この場合、フィルタ留め金具５５の先端縁が内筒４０の延出部４０ａに当接する。

２ 主体金具
１０ センサ素子
１０ａ 検出部
４０ 内筒
４０ａ 内筒の延出部
４０ｈ 貫通孔
４０ｓ 内筒の突出部
５０ シール部材（グロメット）
５０ａ シール部材（グロメット）の先端向き面
５０ｂ 回転規制部
５０ｈ シール部材（グロメット）の通気孔
５１ｈ リード孔
５２ 通気フィルタ
５５ フィルタ留め金具
５５ａ フランジ部の後端向き面
５５ｂ フランジ部の先端向き面
５５ｆ フィルタ留め金具のフランジ部
６０ 端子金具
６８ リード線
７５ セパレータ
９０ 外筒
１００ センサ
Ｏ 軸線方向

Claims (7)

1. 軸線方向に延び、先端側に検出部を有するセンサ素子と、
   前記センサ素子の外周面を囲む筒状の主体金具と、
   前記主体金具の後端側に配置される筒状の外筒と、
   前記主体金具の後端側に配置され、前記センサ素子の後端側を囲むと共に、前記外筒の内側に固定される絶縁性のセパレータと、
   前記セパレータの後端側に配置されると共に、前記外筒の内側に固定される筒状部、及び、該筒状部から径方向内側に延出する延出部を有する内筒と、
   自身の先端向き面が前記内筒の前記延出部に当接し、前記外筒の後端側に収容される弾性のシール部材と、
   前記センサ素子と電気的に接続されると共に、前記シール部材のリード孔に挿通されて外側に引き出されるリード線と、
   を備えるセンサであって、
   前記セパレータと前記内筒とが前記軸線方向に離間しているセンサ。
2. 前記セパレータと前記主体金具とが前記軸線方向に離間している請求項１記載のセンサ。
3. 前記シール部材は、軸線方向に貫通する通気孔を有し、
   前記通気孔には、撥水性の通気フィルタが挿入されてなる請求項１又は２記載のセンサ。
4. 前記内筒の前記延出部は、前記通気孔に連通する貫通孔を有し、
   前記通気孔には、筒状のフィルタ留め金具がさらに挿入され、
   前記貫通孔と前記フィルタ留め金具の内部空間とが連通しつつ、前記フィルタ留め金具の先端向き面が前記内筒の前記延出部に当接する請求項３記載のセンサ。
5. 前記通気フィルタは、前記フィルタ留め金具の外側を覆うシート状のフィルタであり、
   前記フィルタ留め金具は、径方向外側に突出するフランジ部を自身の先端側に備え、
   前記フランジ部の先端向き面が前記内筒の前記延出部に当接する請求項４記載のセンサ。
6. 前記内筒の前記延出部には後端側へ突出する突出部が形成され、
   前記シール部材の前記先端向き面に前記突出部が嵌入し、前記シール部材の周方向の回転を規制する請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。
7. 前記シール部材の前記先端向き面には、自身の周方向の回転を規制する回転規制部が形成されており、
   前記内筒の前記延出部には前記回転規制部と当接する係合部が形成されている請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ。

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